吕燚;高军燕;蒋艺杰
【摘 要】根据大功率红外激光器功率-电压-电流(Power-Voltage-Intensity of current,PVI)曲线的特点,提出一种双环控制结构的恒流驱动电源设计方案.硬件电流控制环路采用深度电流负反馈电路实现了高精度恒流驱动;数字式控制环路根据激光器工作电流实时调节DCDC输出电压,使得恒流电路中MOSFET稳态压降保持恒定,从而在保证电流控制精度的同时显著提升了系统效率.本文首先分析了激光器PVI曲线的特点,提出了系统总体设计思路,然后重点阐述了输出可调的DCDC电源模块和硬件恒流驱动电路的设计方法,并详细介绍通讯软件和DCDC电压控制算法的实现过程,最后给出了DCDC电源效率和电流控制的测试结果,通过与传统方案的对比测试验证了本设计在系统效率上的优势. 【期刊名称】《激光与红外》
【年(卷),期】2019(049)003
【总页数】6页(P309-314)
【关键词】三异丙醇胺红外激光器;恒流电路;过流保护;Pelco_D协议
雷击风险评估【作 者】吕燚;高军燕;蒋艺杰
【作者单位】广东工业大学自动化学院,广东 广州 510006;电子科技大学计算机科学与工程学院,四川 成都 610500;电子科技大学计算机科学与工程学院,四川 成都 610500;广东工业大学自动化学院,广东 广州 510006
【正文语种】中 文
【中图分类】TN248.4
1 引 言
大功率红外激光器是红外夜视系统的核心部件,实现远距离红外照明光源,配合红外摄像机或微光夜视系统可以用于远距离夜视监控,其照明距离可达数公里,目前在高铁、森林防护和远距离夜视监控等领域应用日益广泛。
大功率激光器的驱动电源为恒流源结构。很多学者从不同的应用需求对恒流电路做了大量
的研究与实践工作。文献[1]中采用了基于电流模式同步降压开关控制芯片 LTC1625和电流检测放大芯片 LT1620的恒流电源方案实现了额定电流12 A的激光器电源设计。文献[2]～[5]采用分离器件方案,根据电流负反馈设计了恒流驱动电路。集成IC相对于分离器件方案具有设计简单的优势,但是成本较高且缺乏灵活性。本设计采用后者,并针对电流调节能力进行了优化,减小了电流纹波。文献[6]和[7]采用硬件恒流电路结构,但电流设定采用开环方式,不能通过单片机消除激光器电流的稳态误差和温度漂移。文献[8]中激光器工作电流采用高稳定性基准电压来设定,无法由程序动态调节。大功率激光器驱动电源能量密度较高,提高电源变换效率一方面可以降低系统功耗需求,另一方面可以减少电源发热量,从而降低散热成本。激光器电源效率由DCDC电源和恒流电路共同决定。恒流电路的发热主要来自其调整管,在工作电流恒定的情况下,其发热量由调整管压降决定。文献[9]和[10]中采用YIHONGTAI 公司的NR系列隔离型DCDC 模块,此类电源模块效率为87%,输入电压范围18～36 V,只能提供几种典型电压输出:12 V、15 V、24 V和48 V,如果采用此类电源模块,将造成恒流电路中调整管压降大,功耗高的弊端。以12 V输出为例,在激光器满载工作情况下,恒流电路效率只有67%,此时调整管发热将非常严重,整体效率低下,散热成本也会随之增加。文献[11]中采用了硬件恒流电路和数字调节的双控制环路结构提高了系统的灵活性,但数字控制环路主要用于激光器电流的微调,未涉及到系统效率优化。黄山学院学报
本系统设计了效率高达92%且输出电压可调的DCDC模块,单片机根据激光器不同的工作状态,调节DCDC模块输出电压,进而降低恒流电路中调整管的功耗,在不影响恒流电路的电流调节能力的前提下有效提升了系统效率。
2 大功率红外激光器光电特性
本系统选用红外激光器功率-电压-电流(Power-Voltage-Intensity of current,PVI)特性如图1所示,曲线①为伏安特性曲线,曲线②为其输出光功率曲线。其最大输出光功率30 W,工作电压范围为5.9～8.2 V,最大工作电流8 A,启动电流为1.42 A。输出光功率随着工作电流的增加而线性增加,电流-功率斜率约为4.54 W/A,通过调节激光器的工作电流可以改变其输出光功率,其关系为Pout=4.54×(I-1.42),本设计中将按照此关系通过调节输出电流实现输出光功率的控制。该激光器工作温度范围为-20～65℃,最大电光转换效率为55%,满载工作时发热量较大,需要散热电路,在室外环境温度低于-2 ℃时,激光器需要预热方可以启动,本设计中采用基于半导体制冷片的加热、制冷电路实现了激光器的温度控制。
图1 红外激光器光PVI电特性曲线Fig.1 PVI characteristic of infrared laser diode
3 红外激光器电源设计
红外激光器电源系统结构如图2所示,共包括三部分,分别为：(1)DCDC模块；(2)恒流电路；(3)电源控制单元。DCDC模块将输入电源变换为合适激光器工作的电压,减小恒流电路中MOS管的压降；恒流电路采用电流负反馈实现了对激光器工作电流的精确控制。电源控制单元由STM32F100C8T6单片机和485通讯电路组成,与控制主机之间采用Pelco_D 协议,根据主机的控制命令实现激光器的开关控制,亮度调节等功能。如图2所示,单片机通过ADC1采集恒流电路MOS管源极电压,通过ADC2可得到实际工作电流和MOS管漏极电压,通过DAC2输出改变横流电路的工作电流设定,从而改变激光器光强。此外为了进一步优化稳态工作效率,单片机还将通过DAC1实现DCDC模块的电压输出的调节,从而降低稳态工作过程中恒流电路中MOSFET的功耗,改善整体工作效率。
图2 系统结构图Fig.2 System structure diagram
3.1 输出可调式DCDC设计
夜视云台为红外激光器提供的电源为直流24V,由图1激光器光电特性可知,其正常工作电源范围是5.8～7.2 V。本系统中设计了基于同步整流BUCK电源芯片LM25117的DCDC模块,将24 V输入电压变换到激光器工作电压范围内,电路原理如图3所示。当LM25117上电后,通
过其芯片内部的10 μA的恒流源对SS引脚的外接电容充电,伴随着该电容电压的升高,误差放大器移相角加大,输出电压逐渐升高,当电容电压达到0.8 V时输出达到稳态额定电压,软启动过程结束。图3中的软启动电容C11为0.1 μF,软启动时间8 ms,满足红外激光器对上电过程的要求。R5和R6构成输入欠压保护功能,当VUVLO电压低于1.25 V,LM25117进入待机状态,本设计中R5和R6分别为62 kΩ和5.1 kΩ,输入欠压保护阀值为15 V。LM25117工作在电流控制模式,但并未从高边MOS管直接检测电流,而是通过电流检测电阻R3和斜坡补偿网络C19与R13来重构电感电流。R3选用8 mΩ的合金电阻,R4和C5为电流采样滤波器,避免了输出级高频噪声干扰电流采样回路。
本设计通过降低MOS管Q1、Q2和功率电感L1等主要功率元件的发热对电路工作效率进行了优化。MOS管的通态功耗有其导通电阻决定,开关损耗则主要受MOS管开关延迟时间影响,本设计中采用了英飞凌的BSC028N06LS3,导通电阻2.8 mΩ,耐压60 V,导通延迟时间19 ns,关断延迟77 ns,且其封装形式相对于传统D2PAK和SOP8热阻表现更为优秀。电感L1采用了线艺公司SER2918-103大电流一体成型电感,直流电阻仅2.86 mΩ,最大饱和电流28 A。此外为了实现单片机对DCDC输出电压的调节,在FB引脚、DAC1和Vout之间设计了由R8、R10 和R16构成的电阻网络,单片机通过其DAC1调节LM25117的FB管脚电压,从而改
变其输出电压Vout,FB管脚的调节阀值电压为0.8V,根据弥尔曼定理可得Vout与单片机DAC1输出的关系为:
化简得:
(1)
其中,VDAC表示单片机DAC1输出的模拟电压；DAC1_value表示其对应的数字量。由公式(1)可知,DCDC输出电压范围是5.75～8.72 V,最小调节精度为0.7 mV,根据图1中的PVI特性可知,DCDC输出调节能力完全满足该激光器的需求。
图3 DCDC电路原理图Fig.3 Schematic diagram of DCDC circuit
红裹肚3.2 恒流电路设计
激光器横流驱动电路如图4所示,其中Q3为恒流调整管,本设计中采用了IRFP064,额定电流110 A,热阻为40 ℃/W。电阻R20～R23为检流电阻,采用了低温漂的合金电阻,阻值10 mΩ,2510封装,温漂60 ppm,并采用了如图所示的组合方式,降低了温升并减小了阻值误差的
影响。U8-C、R31、R33和R34为10.1倍反馈放大电路,U8-C的输出端与单片机ADC2相连,实现单片机对工作电流的采集,此外U8-C输出电压进入误差放大器U8-D,U8-D、R24、C28构成了比例积分电路,其参考信号来自单片机DAC2输出。R19和C27构成相位补偿电路,在控制回路中引入一个零点,补偿MOS管GS极间电容产生的零点,防止电流动态调节中发生震荡。本电路通过调节Q3的门极电压实现对激光器电流的控制。该电流负反馈电路的稳态关系为:
(2)
其中,VDAC2为单片机输出的恒流参考信号；i为激光器电流。U8-B、C31、R32、Q6构成了激光器过流硬件保护功能,其保护阀值为8.5 A,当工作电流高于该阀值时U8-B输出高电平,Q6导通,迅速拉低Q3的门极电压,关闭MOSFET,单片机若采集到运放U8-B的输出为高电平便表明发生过流故障,并将通过Pelco_D通讯接口将该故障信息及时上报云台主机。
图4 恒流控制原理图Fig.4 Schematic diagram of constant-current circuit
无功功率4 软件设计
4.1 通讯协议设计
Pelco_D协议由派尔高公司首次提出,主要应用于视频监控领域中控制主机和监控设备间通讯。本设计中,控制主机通过Pelco_D协议实现对激光器开关、工作电流调节和激光器变焦等控制功能,同时控制器也可以向控制主机上报激光器状态和故障代码。如图2所示,本系统物理层采用RS485总线接口,SN65HVD3082完成RS485与TTL电平之间的转换,单片机通过UART中断完成数据的收发。该协议数据帧包括了同步字段、地址字段、控制命令、数据和检验字段。数据帧解析采用了状态机设计方法,状态机如图5所示,空闲状态收到同步字段后进入地址状态,地址匹配后依次接收命令和数据字段,校验通过后,置位接收标志位RcvFlag,主程序中完成对该命令的解析和执行。数据帧的发送则采用队列方式,主程序中将不包括同步字段的回应帧写入队列,USART_DR中写入0xFF启动发送,并在发送中断服务程序中将队列内容发送完毕。
图5 Pelco_D协议接收状态机Fig.5 State machine of receiving process of Pelco_D protocol
4.2 系统效率控制算法
万苏林30r由图1中激光器PVI特性可知:(1)激光器所需电压会随着工作电流线性增加；(2)在激光器整个电流范围内,其所需最小电压为5.8 V,最大电压为7.4 V。在本电路中,DCDC输出电压等于MOS管Q3漏源极电压、激光器电压和检流电阻电压之和。其中激光器和检流电阻电压由其工作电流决定。若采用DCDC输出电压保持恒定的方案,为使激光器在整个电流范围内正常工作,并且考虑到激光器的个体特性差异,DCDC输出电压不能低于8 V。这种情况下,如果激光器电流设定为4 A,则激光器电压约为6.3 V,MOS管Q3漏源极电压约为1.7 V,功耗约为6.8W。可见,降低MOS管的功耗是提高恒流电路效率的主要途径。MOS 管的功耗计算公式为:
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